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        當(dāng)前船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

        2014-04-29 00:00:00徐崗
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2014年2期

        摘 要:船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是近年來我國自主研發(fā)的項(xiàng)目之一,依靠先進(jìn)的建造理論和國內(nèi)外的設(shè)計(jì)實(shí)例,結(jié)合日漸發(fā)展的信息技術(shù)能夠通過立體、綜合的方式展現(xiàn)設(shè)計(jì)觀念和結(jié)構(gòu),文章對(duì)船體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出建議和方法。

        關(guān)鍵詞:船體;結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)

        船體的設(shè)計(jì)要依據(jù)實(shí)際使用要求,設(shè)計(jì)之初要做好調(diào)查工作,建立符合預(yù)算、實(shí)用性要求的具體方案,以相應(yīng)的技術(shù)手段滿足。

        1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

        船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要以使用性能為參考,在保證安全性能的前提下,進(jìn)一步美化外觀。船只的安全航行是一切利益的保證,船體的穩(wěn)固是設(shè)計(jì)的核心理念,結(jié)構(gòu)建構(gòu)要符合力學(xué)原理,參考實(shí)際的航海條件,充分考慮天氣、水文因素的影響,能夠應(yīng)對(duì)出航線路中的極端天氣,結(jié)構(gòu)承重性要有保證,外形設(shè)計(jì)也要配合航行的動(dòng)力要求,設(shè)計(jì)船體時(shí)要綜合多方面經(jīng)驗(yàn),合理構(gòu)建、計(jì)算,科學(xué)設(shè)計(jì)。

        結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的進(jìn)一步要求是建造技術(shù)水平要配合設(shè)計(jì)要求。建造時(shí)要充分考慮設(shè)計(jì)參考材料的性能,例如,板材的使用要能適應(yīng)船體設(shè)計(jì)的彎曲度,過厚或者過薄都不能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)預(yù)期。不能為節(jié)約成本而以次充好影響質(zhì)量。

        實(shí)用性是設(shè)計(jì)角度必須納入?yún)⒖俭w系的問題,船體、船艙、甲板等設(shè)計(jì)要根據(jù)實(shí)際的裝載要求合理設(shè)計(jì),既能容納預(yù)計(jì)的人員或貨物,同時(shí)也要考慮安全舒適度。

        船體設(shè)計(jì)時(shí)考慮的關(guān)鍵因素是預(yù)算和使用,從安全性能角度,實(shí)用性是基本要求;從后期投入使用后的成本結(jié)算角度,設(shè)計(jì)師要根據(jù)預(yù)算做出相應(yīng)的技術(shù)調(diào)整,尋找安全和利益的最佳結(jié)合點(diǎn),以經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)原則減少不必要的材料浪費(fèi),選擇高科技的輕便、安全材料。

        2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容

        設(shè)計(jì)船體的基本工作包括:確定初步的結(jié)構(gòu)方法、按照預(yù)算和設(shè)計(jì)要求提供使用材料的型號(hào)報(bào)告、上報(bào)船體合成技術(shù)?;镜脑O(shè)計(jì)理念是實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性,采用承重性好的板材,同時(shí)要考慮其重量的限制條件,可以考慮采用輕便節(jié)約的新型的合成板材?;镜脑O(shè)計(jì)步驟按照規(guī)劃過程可分為基本的設(shè)計(jì)、細(xì)節(jié)的規(guī)劃和生產(chǎn)技術(shù)要求,分階段實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

        (1)初步設(shè)計(jì)。初步的規(guī)劃是根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行框架性的建構(gòu),建立基本的圖紙預(yù)想稿,根據(jù)預(yù)案和設(shè)計(jì)技術(shù)要求對(duì)材料、部件的型號(hào)和用度建立預(yù)算方案并形成預(yù)算報(bào)告,對(duì)船體的大小、結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        (2)詳細(xì)設(shè)計(jì)。前期的設(shè)計(jì)是框架性的大體預(yù)想,細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)要依照相關(guān)的審批意見作出調(diào)整,充分考慮到建造過程細(xì)節(jié),再次確定各構(gòu)件的型號(hào)、材質(zhì),形成符合設(shè)計(jì)要求的較為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,繪圖后連和設(shè)計(jì)方案闡釋交由審批部門。

        (3)生產(chǎn)設(shè)計(jì)。即生產(chǎn)要求、材料使用注意事項(xiàng)、施工詳細(xì)說明圖配合的設(shè)計(jì)方案。

        3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程

        船體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)之初是分體分段的細(xì)致設(shè)計(jì),有多重部件組合而成,一體化的設(shè)計(jì)在目前的技術(shù)水平限制下很難實(shí)現(xiàn)預(yù)想,并且容易出現(xiàn)局部的設(shè)計(jì)缺陷。分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)雖然要考慮組合、連接的實(shí)際問題,但易于設(shè)計(jì)和建造,小規(guī)模的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)更容易實(shí)施。船體分段設(shè)計(jì)時(shí)是將結(jié)構(gòu)分解為有機(jī)聯(lián)系的幾部分,根據(jù)實(shí)際的首、尾或者上、下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分,分組設(shè)計(jì)建構(gòu),同時(shí)要考慮到組合后的一體性,在設(shè)計(jì)分組拆分時(shí)要做好統(tǒng)籌工作,考慮到后期組裝工作的各個(gè)細(xì)節(jié)。

        船體的負(fù)荷性能與船體的構(gòu)造、材料、重量的內(nèi)部性能有關(guān),同時(shí)還受到海上條件的負(fù)面影響。而船體自身的質(zhì)量是關(guān)鍵的因素,在設(shè)計(jì)規(guī)劃中船體結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步的銜接、加工,其質(zhì)量、結(jié)構(gòu)也是動(dòng)態(tài)變化的過程,載荷能力的測算是過程性的計(jì)算,需要通過系統(tǒng)的信息整合實(shí)現(xiàn)最終的承重估計(jì),并且要充分考慮到航行條件的限制。

        4 船體結(jié)構(gòu)型式

        船體結(jié)構(gòu)的基本方式是板和型材的組合,又稱板架結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的位置和做用,人為地把他們分成若干板架,如船底板架,甲板板架,舷側(cè)板架和艙壁板架。由船體梁分析可知,甲板和船底板架相當(dāng)船體梁的上下冀板,舷側(cè)板架相當(dāng)船體梁的腹板,他們的做用不同,骨架排列方式也不一樣,通常分成縱骨架式和橫骨架式結(jié)構(gòu)。

        大型的船舶設(shè)計(jì)要根據(jù)實(shí)際的承重要求調(diào)整相關(guān)的架構(gòu)方式。甲板和底部的設(shè)計(jì)可采用縱向的承重骨架,通過支撐力增加船體的安全性能,板材也要滿足基本的受力要求,同時(shí)要考慮極端條件下的承重上限、船舷應(yīng)根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)橫向的結(jié)構(gòu),保證受力均勻、載重性能好,橫向的設(shè)計(jì)另一優(yōu)點(diǎn)是占用空間小,能夠?yàn)榇w設(shè)計(jì)提供更大的艙容。

        在縱向結(jié)構(gòu)的裝配過程中,有較多的縱向構(gòu)件要穿越橫向構(gòu)件,在分段合攏時(shí),縱向構(gòu)件的接口較多,這些都使得縱骨架式結(jié)構(gòu)裝配比較困難,所以有些情況下,即使甲板和船底也采用橫骨架式結(jié)構(gòu)。

        對(duì)于干貨船,上甲板宜于采用橫骨架式結(jié)構(gòu)的情況是:

        (1)船長小于10米時(shí);船長在10米至130米以內(nèi)L/D小于12;總彎矩比較小,中刨面模數(shù)要求值比較小,局部強(qiáng)度條件成為主要的。

        (2)上甲板經(jīng)常放置貨物,因而橫向載荷較大,如果采用縱骨架式結(jié)構(gòu),較大的橫梁會(huì)影響艙容。

        對(duì)于船底宜采用橫骨架式結(jié)構(gòu)的情況是:(1)船長小于10米,L/D小于12時(shí),船底外板的厚度不是由強(qiáng)度條件來決定,而是由銹蝕磨損來控制。(2)船的中垂彎矩遠(yuǎn)大于中拱彎矩。(3)船底易于擱淺,或艙內(nèi)用抓斗起貨而艙底無護(hù)板時(shí),船底板厚度主要由磨損來決定。

        舷側(cè)結(jié)構(gòu)型式,由橫艙壁間距和甲板到艙底距離而定。一般垂向距離較小宜采用橫骨架式,這對(duì)冰區(qū)航行尤為重要。丹東地區(qū)冬季常有漂浮冰排,船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)骨架型式就要考慮這一因素。

        5 結(jié)構(gòu)鋼材的選擇

        船體材料從承重和航行條件的要求下,多采用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鋼結(jié)構(gòu),具體的設(shè)計(jì)還要配合不同性質(zhì)的材料,輕便、結(jié)合性好的鋁材料、混凝土等都可以是配合的材料、鋼結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)主體,在保證其質(zhì)量和性能的前提下,要考慮使用質(zhì)量輕、易聯(lián)合的材料,以滿足復(fù)雜的設(shè)計(jì)工藝要求,多重材料的組合不僅滿足技術(shù)要求,還能最大限度地節(jié)省鋼材料,減少費(fèi)用預(yù)算。材料的使用要滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和航行的安全,充分考慮海水等外在條件的影響。小型的船只設(shè)計(jì)要采用穩(wěn)定強(qiáng)的橫式機(jī)構(gòu),并加大板材的厚度,以滿足基本的安全航行要求。大型船舶設(shè)計(jì)要考慮減輕材料的重量以控制船體的質(zhì)量,滿足航行、貨運(yùn)等承重。

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